[发明专利]一种基于光敏位置传感器反馈的微球透镜超分辨率光学扫描成像系统及其成像方法

说明书

本发明公开了一种基于光敏位置传感器反馈的微球透镜超分辨率光学扫描成像系统，包括反馈和扫描控制器，扫描台，扫描台上设有样品台，样品台上方设有微球透镜，微球透镜上方设有光学显微镜，所述微球透镜固定于探针上，探针通过柔性连接件与手动位移台相连接，手动位移台上设有激光发射器，所述探针上设有反射激光发射器发出的光线的平面反光镜，在激光发射器上方设有接收平面反光镜反射光线的光敏位置传感器，光敏位置传感器可以检测由微球与样品表面的接触力导致的平面反光镜偏转，通过反馈和扫描控制器驱动扫描台，可以维持微球与样品表面的恒定接触。本发明还公开了本成像系统的成像方法。

技术领域

本发明涉及一种基于光敏位置传感器反馈的微球透镜超分辨率光学扫描成像系统，主要用于需要纳米级超分辨率实时动态观测和操作的材料和半导体等领域。本发明还涉及了一种微球透镜超分辨率光学扫描成像方法。

背景技术

十九世纪末，德国科学家恩斯特·阿贝定义了光学显微镜的分辨率，认为是光波长的一半，即：约为0.2微米，这就是著名的光学衍射极限。因此，在二十世纪的大部分时间里，科学家们都相信光学显微镜永远无法突破衍射极限的限制。然而，随着科学研究的深入，尤其是生物科学领域的研究，人们早已开始研究细胞的内部结构，因此需要对细胞内部的组织结构进行活体观测。电子显微镜只能观测死亡细胞的表面，无法观测活体细胞的内部结构。前不久，研究者发现微球透镜可实现超分辨率的光学成像，技术研究成果最早发表于2009 年Nature杂志上(www.nature.com/doifinder/10.1038/nature08173)，当时的分辨率为220nm。两年后，这个分辨率被提高到了50nm(Nature Communication,DOI:10.1038/ncomms1211)。一般认为，微球透镜的超分辨率光学成像是由于近场光学条件下微球透镜吸收样品表面的隐失波实现的。不同于电子显微镜的是，基于隐失波的纳米光学成像不需要对样品进行处理，而且是在自然光照和空气条件下，适合任何样本成像，因而更具有广泛应用的意义。

目前，通过与原子力显微镜的反馈控制机理相结合，使微球透镜与样品表面的距离获得精确控制，从而实现对样品表面进行大范围动态扫描超分辨率成像(NatureCommunication,DOI:10.1038/ncomms13748)。但是，此类反馈机制需要与原子力显微镜结合，需要复杂的光路来解耦激光对成像的影响，系统本身光路复杂，且造价非常昂贵，有些小型实验室无法承担。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种全新的基于光敏位置传感器反馈的微球透镜自动扫描的大范围光学超分辨率成像系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种基于光敏位置传感器反馈的微球透镜超分辨率光学扫描成像系统，包括反馈和扫描控制器，扫描台，扫描台上设有样品台，样品台上方设有微球透镜，微球透镜上方设有光学显微镜，所述微球透镜固定于探针上，探针通过柔性连接件与手动位移台相连接，手动位移台上设有激光发射器，所述探针上设有反射激光发射器发出的光线的平面反光镜，在激光发射器上方设有接收平面反光镜反射光线的光敏位置传感器，光敏位置传感器可以检测由微球与样品表面的接触力导致的平面反光镜偏转，通过反馈和扫描控制器驱动扫描台，可以保证在扫描样品过程中，维持微球透镜与样品表面在设定接触力下的恒定接触，从而保证微球透镜近场光学超分辨率成像条件，实现大视场范围超分辨率扫描成像。

作为一种优选的方案，所述的探针为毛细管探针，并在靠近微球透镜端弯曲。

作为一种优选的方案，所述的探针针尖不低于所述的微球透镜的最底端。

作为一种优选的方案，所述的探针针尖高出所述的微球透镜的最底端至少1 微米。

作为一种优选的方案，所述的平面反射镜固定于探针未弯曲部分的最靠近微球透镜一端。

作为一种优选的方案，所述的光学显微镜的物镜放大倍数大于等于20倍，数值孔径大于0.4。